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近日，生態(tài)環(huán)境部等11部門印發(fā)《甲烷排放控制行動方案》的通知。

研究顯示，二氧化碳（CO2）在全球變暖中的作用正在逐漸降低，而甲烷（CH4）正在呈加速上升勢態(tài)，它的全球增溫潛勢是二氧化碳的21倍，對溫室效應的貢獻約為26%。

值得廣大水處理人特別關注的是，污水廠中污水經(jīng)過無氧處理或直接排入自然環(huán)境中均會造成大量的甲烷氣體排放。要知道，早在十幾年前，國家溫室氣體清單中約8.6%的甲烷排放來源于城市廢棄物處理，其中污水處理甲烷排放占42%，是第二大排放源。

圖源/生態(tài)環(huán)境部

毫無疑問，《甲烷排放控制行動方案》的出臺印發(fā)，是及時之舉，也是必要之舉。

01

11部門聯(lián)合發(fā)布《甲烷排放控制行動方案》
污水廠要注意哪些重點？做好哪些準備？

污水處理單位不僅是全球甲烷（以下簡稱CH4）的重要排放源，也是全球CH4排放增長最 快的排放源之一，同時也具有很大的減排潛力。


因而，在此次《甲烷排放控制行動方案》中，生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設部、自然資源部等11部門對污水處理廠提出重要要求：


1、加強污水處理領域甲烷的控制與利用


全面提升城鎮(zhèn)生活污水收集處理效能，穩(wěn)步提高污泥無害化、資源化利用水平。鼓勵有條件的污水處理項目，采用污泥厭氧消化等方式產(chǎn)生沼氣并加強回收利用。到2025年，城市污泥無害化處置率達到90%以上。


2、強化污水廠甲烷排放控制監(jiān)管


全面落實城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準，加強甲烷排放數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)管，探索利用衛(wèi)星遙感等技術開展甲烷異常排放監(jiān)管。保障甲烷排放監(jiān)管工作經(jīng)費，持續(xù)提升專業(yè)化監(jiān)管能力。

3、建立污水廠甲烷排放核算、報告和核查制度


研究推進建立重點行業(yè)企業(yè)甲烷排放核算和報告制度，推動污水處理廠定期報告甲烷排放數(shù)據(jù)。結合國家和省級溫室氣體清單編制工作，逐步實現(xiàn)甲烷排放常態(tài)化核算。組織開展數(shù)據(jù)核查、抽查和現(xiàn)場檢查工作，穩(wěn)步提升甲烷排放數(shù)據(jù)質(zhì)量。


4、強化污染物與甲烷協(xié)同控制措施


鼓勵對廢水有機物含量高、可生化性較好的行業(yè)依法依規(guī)與城鎮(zhèn)污水處理廠協(xié)商水污染物納管濃度，減少甲烷產(chǎn)生。

02

如何核算/控制污水廠甲烷排放？
污水廠甲烷釋放的計算與影響因素

1、甲烷釋放的影響因素


實際工作中發(fā)現(xiàn)，影響甲烷釋放量的因素有化學需氧量濃度、溶解氧、水溫、pH等?！虼吝@里，深度掌握污水處理常見參數(shù)解析，成為高 級水處理工程師


1）溶解氧（DO）的影響


甲烷的釋放量隨著溶解氧濃度的升高而增大，線性相關系數(shù)為0. 70。因為水中溶解性甲烷會隨著曝氣溢出，溶解氧越高曝氣強度越大，溢出的溶解性甲烷越多。

好氧區(qū)甲烷釋放速率與DO的關系

2）溫度（水溫）的影響


甲烷的釋放量隨水溫的升高而增加，出現(xiàn)夏季的釋放量明顯大于冬季的情況，因此有必要探討溫度對污水處理過程中溫室氣體釋放量的影響。


由下圖可知，甲烷釋放速率和污水溫度有較顯著的相關性（R2=0.85）。甲烷釋放量隨溫度升高而升高，是因為產(chǎn)甲烷菌的活性隨著基質(zhì)溫度的升高而增加。

甲烷釋放速率與水溫的關系

3）化學需氧量（COD）的影響


COD是影響甲烷釋放的重要因素。通過對生活污水處理廠進行采樣分析，甲烷的釋放通量和 COD的比較顯著相關（R2=0.69）。


研究發(fā)現(xiàn)，甲烷的產(chǎn)生需要嚴格的厭氧環(huán)境，厭氧區(qū)的COD在100～400mg /L的范圍內(nèi)，COD越高越有利于釋放出大量的甲烷。

2、甲烷直接排放量的計算


污水處理過程中，甲烷直接排放主要發(fā)生在初沉池以及生物處理段存在的厭氧過程中，和污水處理量、COD去除情況、污泥產(chǎn)生情況以及甲烷回收情況有關，可根據(jù)以下公式計算，以CO2當量表示。

式中，

m(CH4)為CH4直接排放量，kgCH4；

Q2為污水處理廠進水水量，m3；

COD(進)為污水處理廠平均進水CODCr濃度，mg·L-1；

COD(出)為污水處理廠平均出水CODCr濃度，mg·L-1；

SG為污水處理廠產(chǎn)生的干污泥量，kg；

Pv為污水處理廠干污泥的有機分，%；

ρS為污泥中的有機物與CODCr的轉化系數(shù)，取值為1.42kgCODCr·kg-1DS；

B0為CH4的產(chǎn)率系數(shù)，取值為0.25kgCH4·kg-1CODCr；

MCF為污水處理過程CH4修正因子，取值0.003；

Ｒ(CH4)為CH4回收體積，m3；

f(CH4)為CH4溫室效應指數(shù)，取值為28kgCO2·kg-1CH4；

E(CH4)為CH4直接碳排放量，kgCO2。


需要特別說明的是，目前污水廠碳排放核算研究大多采用排放因子法，參考的是IPCC指南提供的參數(shù)因子。但由于該方法的相關計算參數(shù)取值大多都源于國外，在我國污水處理行業(yè)碳排放方面可能會出現(xiàn)“水土不服”。


因此，在對污水處理廠的甲烷排放核算方法進行選擇時，應先明確核算層級，是對污水廠整廠的溫室氣體排放量進行核算還是對某個處理單元的溫室氣體排放量進行核算，然后再根據(jù)需要核算的內(nèi)容以及已有的數(shù)據(jù)類型對核算方法進行選擇。

甲烷等溫室氣體核算方法選擇流程

3、污水處理甲烷排放的控制對策


1）準確選擇低碳水處理技術


選擇生物處理，減少藥劑用量，較化學處理方法降低了藥劑、藥劑制備和運輸過程產(chǎn)生的溫室氣體。生物處理選擇節(jié)碳工藝，減少外加碳源。采用厭氧工藝處理高濃度污水，進水有機物濃度越高，所回收的沼氣越多，經(jīng)過收集利用后削減溫室氣體排放的貢獻越大。◎戳這里，實戰(zhàn)派高手教你如何做好工藝路線選擇


2）采用合理厭氧發(fā)酵工藝和裝置


采用合理厭氧發(fā)酵工藝和裝置，全面提高厭氧消化設備的沼氣產(chǎn)氣率和去污率，增加沼氣的產(chǎn)出。

從廢水厭氧處理階段直接回收的沼氣可用于廠內(nèi)供電、生產(chǎn)過程燃料消耗等，不僅完成了污水處理、實現(xiàn)了能源回收利用，同時還削減了處理運行管理費用，降低了后續(xù)的好氧投入，縮短了工程投資回收年限。


3）加強污水處理水的回用


加強經(jīng)城市污水處理廠處理后排放的污水的回收再生利用，降低其以處理水的形式進入到海洋、河流或湖泊等自然水體中所產(chǎn)生的甲烷及其它溫室氣體排放量，削減其環(huán)境風險。


4）降低污水廠運行能耗


采用高效能的總體設計、新工藝、新設備的選用、優(yōu)化總體工藝設計，選擇高效的設備和裝置，有效降低污水處理廠運行能耗，直接減少城市污水處理廠的溫室氣體的排放。

03

污水廠甲烷綜合利用途徑

3種常見沼氣利用優(yōu)劣對比

事實上，在《甲烷排放控制行動方案》之前，《產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整指導目錄》等一系列基于“雙碳”目標出臺的政策文件都在支持或強調(diào)對甲烷（沼氣）這一可再生能源開展綜合利用。


在實踐過程中，每降低1t甲烷排放就等同于降低了25t二氧化碳排放，通過沼氣的回收利用，可以降低污水處理廠的碳排放量，從而實現(xiàn)污水處理的低碳運行?！虼链肆私狻段蹚U水處理設計師精英培訓班》，獲取污水廠的低碳提標設計方案


甲烷作為能源時一般被叫做沼氣，污水處理現(xiàn)場產(chǎn)生的沼氣流量大，沼氣中甲烷濃度較高、熱值較高，因此要想發(fā)揮好甲烷作為可再生能源的優(yōu)勢，需要對現(xiàn)場產(chǎn)生的沼氣做好回收后進行綜合利用。


傳統(tǒng)情況下，污水處理產(chǎn)生的沼氣一般采用直接對空燃燒的方式處理，這種方式雖然實現(xiàn)了沼氣的安全處置，并未考慮沼氣的可利用價值，造成沼氣的浪費，不能滿足綠色低碳的節(jié)能要求。


目前，合理綠色的沼氣利用方法比較多，常見的有：沼氣摻燒（沼氣送鍋爐摻燒）、沼氣提純、沼氣發(fā)電以及沼氣制氫等。


1、沼氣摻燒


沼氣摻燒是將沼氣摻混至其它燃料中燃燒，常見的是將沼氣輸送至電廠鍋爐內(nèi)與燃煤混合燃燒。這種方式適用于適用于沼氣產(chǎn)量較大，附近配套有鍋爐發(fā)電。


優(yōu)勢：無需復雜的前處理設備和貴重的提純、發(fā)電設備，流程簡單，設備配置少，操作維護方便，運行可靠；投資及維護費用較低，收益較大，系統(tǒng)運行安全有保障。


劣勢：沼氣前端未脫硫，硫化氫對鍋爐設備、管道有腐蝕，影響使用壽命。沼氣直接燃燒熱值低，能源利用價值不高。


2、沼氣提純


沼氣提純是指將沼氣中除甲烷之外的其他氣體去除，經(jīng)過提純后達到滿足《天然氣》二類燃氣質(zhì)量標準。適用于周圍配套有天然氣管網(wǎng)，或者自身用氣量較大，提純后的天然氣能得到及時消耗。


某污水廠處理采用膜分離的方式對沼氣進行提純，在膜分離工藝中，不同氣體在膜材料中滲透速率不同，當沼氣加壓進入中空纖維膜，二氧化碳氣體會優(yōu)先滲透出來，甲烷氣體則會保留，產(chǎn)品氣中甲烷濃度大幅提高，從而實現(xiàn)沼氣提純的目的。


優(yōu)勢：增加了燃燒的熱值，能量利用率高，能源輸出更多；提純后得到的可利用能源多，可作為燃氣或車用燃料實現(xiàn)沼氣的高效利用，拓寬了沼氣的用途，可以緩解天然氣市場緊缺的情況。


劣勢：沼氣提純流程較長，設備配置多，系統(tǒng)復雜，故障率較高。投入大，運行維護成本高；提純后進燃氣管網(wǎng)困難；設備要求可靠性高，現(xiàn)場人員需要有較高的運行維護管理水平。天然氣為易燃易爆，現(xiàn)場不宜存儲過多，需考慮好供需平衡。


3、沼氣發(fā)電

沼氣發(fā)電是將沼氣用于燃氣發(fā)電機上，配套余熱利用裝置，將生物質(zhì)能轉化為電能和熱能。沼氣發(fā)電技術是實現(xiàn)有機廢物、廢水等各類生物質(zhì)資源能源化的有效途徑之一。沼氣發(fā)電后可上網(wǎng)售電、并網(wǎng)抵消自用電或獨立驅動負荷，并可能享受再生能源發(fā)電補貼。


值得一提的是，利用沼氣發(fā)電需要符合下列要求，才可以將沼氣作為發(fā)電機組的燃料：1）甲烷含量不低于40%的體積百分比；2）沼氣溫度不高于50 ℃；3）沼氣中甲烷體積含量≥60%，且硫化氫≤300mg/Nm3、氯氟化物≤150mg/Nm3、氨≤30mg/Nm3，粉塵粒度≤5μm、含量≤30mg/Nm3，且無液體成分、濕度低于80%。


優(yōu)勢：可采用“發(fā)電+余熱回收”綜合利用方案，通過利用沼氣可供電、供汽，熱電利用效率高。能量利用率最高，能源輸出更多。使用場合靈活，適合長距離輸送。


劣勢：沼氣發(fā)電流程較長，設備配置多，系統(tǒng)復雜，故障率較高。投資費用高，運行維護成本高；并網(wǎng)流程復雜；預處理要求脫硫效果好，設備要求可靠性高，現(xiàn)場人員需要有較高的運行維護管理水平。




來源：環(huán)保水圈

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